DE10026458C2

DE10026458C2 - Schadstoffarmer Gegenkolben-Zweitaktmotor

Info

Publication number: DE10026458C2
Application number: DE10026458A
Authority: DE
Inventors: Hermann Golle
Original assignee: Individual
Current assignee: Huss Juergen De
Priority date: 2000-05-27
Filing date: 2000-05-27
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2020-05-28
Also published as: DE10026458A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Gegenkolben- Zweitaktmotor gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, der aufgrund seiner besonderen Merkmale als schadstoffarmer Hochleistungsmotor in allen Bereichen einsetzbar ist.

Insbesondere soll er im PKW- und LKW-Sektor Anwendung finden.

Zweitaktmotoren nehmen zurzeit im Fahrzeugmotorenbau nur eine Außenseiterrolle ein. Sie sind zwar bei kleinen Zweirädern und als Gebrauchsmotoren häufig zu finden, dominieren im Rennmotorenbau und stellen auch bei großen Schiffsmaschinen die leistungsfähigste Motorengattung dar, doch im breiten Spektrum der PKW- und LKW-Motoren fehlen sie vollständig.

Der Grund hierfür ist besonders in den schwierigen Schmier- und Verschleißproblemen der Zylinder/Kolben- Gruppe und den hieraus resultierenden Partikelemissionen zu suchen. Aber auch die Notwendigkeit eines Spülgebläses zusätzlich zum Abgaslader macht den Zweitakter als Fahrzeugmotor nicht einfacher.

Derzeit ausgeführte Fahrzeug-Zweitaktmotoren lehnen sich als sogenannte gleichstromgespülte Motoren an die großen Schiffsmaschinen an. Der Spüllufteinlass erfolgt über Schlitze in der Zylinderbüchse und der Auslass wird durch mehrere Auslassventile im Zylinderkopf gesteuert; es sind also Zweitakter mit Ventilsteuerung für den Auslass. Solche Motoren erreichen oder übertreffen leicht die Leistungswerte moderner Viertakter, ein signifikanter Sprung zu höheren Werten ist jedoch nicht vorhanden.

Die Ursachen dafür liegen in folgenden verfahrensbedingten Nachteilen:

- Der Zylinderkopf stellt trotz mehrerer Auslassventile eine Drosselstelle dar, die hohen Zeitquerschnitte der Spülseite (Schlitze auf dem gesamten Umfang der Zylinderbüchse) werden nicht erreicht,
- der Ventiltrieb stellt einen beachtlichen energetischen Verlust dar, zumal er mit doppelter Drehzahl laufen muss,
- der Fahrzeugmotor benötigt neben dem Abgaslader ein zusätzliches mechanisches Spülgebläse, welches einen erheblichen Anteil Leistung verschlingt.

Diese Nachteile vermeidet der Gegenkolbenmotor, bei welchem Spülung und Auslass durch die beiden gegenläufigen Arbeitskolben gesteuert werden. Solche Motoren hatten z. B. als Flugdieselmotoren der Firma Junkers die doppelte Leistung vergleichbarer Viertaktmotoren und auch ein kleineres Baugewicht. Diese Gegenkolbenmotoren waren jedoch aufwendig konstruierte Aggregate mit beispielsweise 2 Einspritzpumpen und 4 Einspritzdüsen pro Motorzylinder. Auch sonst besaßen sie den für Flugmotoren üblichen hohen Sicherheitstandard, der einen hohen Fertigungsaufwand rechtfertigte. Aus heutiger Sicht besonders nachteilig waren die hohen Schadstoffemissionen und die geringe Lebensdauer. Alle diese Nachteile sind für heutige Fahrzeugmotoren völlig indiskutabel, so dass trotz der sehr guten motorischen Kennwerte die Gegenkolbenmotoren im Fahrzeugbau keinen Eingang gefunden haben.

Nun sind bereits Vorschläge zur Verbesserung der konventionellen Gegenkolbenmotoren gemacht worden. In der DE 196 32 408 A1 wird ein Gegenkolbenmotor beschrieben, der verbesserte Lösungen für die Triebwerkschmierung in Verbindung mit der Kurbelkammer-Ladeluftpumpe anstrebt. Hier soll die Ladeluft wie beim klassischen Zweitakter immer noch durch das Kurbelgehäuse gepumpt und das von der Druckölschmierung abgeschleuderte Öl durch Ölabscheider und Ölkondensation aus der Ladeluft entfernt werden. Bei den großen Luftmengen und hohen Strömungsgeschwindigkeiten kann dies nur sehr unvollkommen gelingen.

Bei den heutigen und zukünftig noch strengeren Schadstoffbestimmungen spielen auch die ausgeschleusten Ölpartikel eine wesentliche Rolle. Die Vorschläge nach DE 196 32 408 A1 können aber die Partikel nicht gravierend herabsetzen und damit ein entscheidendes Kriterium moderner, schadstoffarmer Verbrennungsmotoren nicht erfüllen.

Auch im konstruktiven Aufbau wird die DE 196 32 408 A1, wie z. B. durch die Anordnung von Walzendrehschiebern für die Gaswechselsteuerung, modernen Prinzipien und preiswerter Fertigung nicht gerecht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, für die Schaffung eines schadstoffarmen Gegenkolben-Zweitaktmotors mit überragenden motorischen Kennwerten diese Nachteile zu vermeiden.

Dabei soll vor allem:

- Auf ein mechanisches Spülgebläse verzichtet,
- das Ausschleusen von Ölanteilen wirksam verhindert und
- eine wesentliche konstruktive Vereinfachung erreicht werden.
- Außerdem sollen dem Motorprinzip angepasste neue Verbrennungsverfahren eingesetzt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch können die Arbeitskolben völlig trocken in den Motorzylindern laufen. In bekannter Weise sind selbsttätig arbeitende Ventile an den Spülpumpen angeordnet, wobei das einlassende Ventil auch durch die übliche Steuerung mittels Kolbenunterkante ersetzt werden kann. Über ein- oder doppelgelenkige Pleuelstangen sind die Arbeitskolben mit den Kreuzköpfen des Triebwerks, welche die Seitenkräfte aufnehmen, verbunden. Konstruktive Vereinfachungen werden dadurch erzielt, dass in den Triebwerksstrang zwischen den Kurbelwellen die Mittel zur Kraftübertragung oder eine Arbeitsmaschine direkt eingeschaltet sind.

Neue Verbrennungsverfahren werden insbesondere für die Benzin-Direkteinspritzung (GDI) und die Diesel- Direkteinspritzung (DI) geschaffen. Beim Benzin-GDI- Verfahren sind erfindungsgemäß eine Einspritzdüse und mehrere Zündkerzen ringförmig um den Motorzylinder angeordnet. Die Zündkerzen werden entsprechend der Motorbelastung stufenweise aktiviert, so dass die Kraftstoffwolke unterschiedliche Wege von der Einspritzdüse bis zur aktivierten Zündkerze zurücklegt.

Beim Diesel-DI-Verfahren ragt eine Doppelkopfdüse mit beidseitig mehreren Einspritzbohrungen in den Motorzylinder hinein und ist konzentrisch oder leicht exzentrisch zu den beidseitig liegenden Kolbenbrennräumen angeordnet.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel dargestellt.

Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgeführten Motor,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Motorzylinder mit Einsatz des Benzin-GDI-Verfahrens,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Motorzylinder mit Einsatz des Diesel-DI-Verfahrens,

Fig. 4 den Triebwerksstrang zwischen den Kurbelwellen mit Einbeziehung des Rädersatzes eines Wechselgetriebes,

Fig. 5 den Triebwerksstrang analog Fig. 4 mit Einbeziehung einer Arbeitsmaschine,

Fig. 6 den Triebwerksstrang mit Einbeziehung von Umschlingungsgetrieben und

Fig. 7 den Längsschnitt durch einen Motorzylinder mit Mittel zur Verstellung der Spül- und Auslasssteuerzeiten.

Die Fig. 1 zeigt den Schnitt durch den Gegenkolbenmotor, wobei auf der linken Seite der Schnitt durch einen Arbeitskolben 1, die Spülpumpe und das Triebwerk angegeben ist. Die Unterseite des Arbeitskolbens 1 arbeitet zusammen mit einem Einlassventil 2 und einem Auslassventil 3 als Spülpumpe. Die durchgesetzte Ansaugluft tritt direkt in den an der Motorunterseite angebrachten Spülmittelaufnehmer 4 ein, welcher zugleich als Ladeluftkühler dient. Vom Spülmittelaufnehmer 4, in welchem alle Spülpumpen über ihre Auslassventile 3 einspeisen, tritt die gekühlte und vollständig entölte Spülluft über eine Verbindungsleitung, die in Fig. 1 nicht dargestellt ist, in die Spülluftkammer 7 des Motors ein. Ebenfalls nicht dargestellt und beschrieben ist ein am Motor angeordneter Abgaslader, dessen vom Verdichter gelieferte Luft ebenfalls in den Spülmittelaufnehmer 4 eingespeist wird.

Die eingangs beschriebene Spülpumpe kann auch ohne das Einlassventil 2 ausgeführt werden. In diesem Fall steuert, wie bei Zweitaktmotoren üblich, die Unterkante des Arbeitskolbens 1 den Lufteinlass in die Spülpumpe, so dass diese nur das Auslassventil 3 benötigt.

Die Pleuelstange 6 ist über ein Gelenk 8 mit dem Arbeitskolben 1 verbunden, während sie mit dem Kreuzkopf 9, welcher die Seitenkräfte des Triebwerks aufnimmt, starr verbunden ist. Sie kann jedoch auch doppelgelenkig zwischen dem Arbeitskolben 1 und dem Kreuzkopf 9 eingebaut sein, so dass jegliche Seitenkräfte auf den Arbeitskolben 1, die auch durch unsymmetrische thermische Verformungen der Motorteile entstehen können, vermieden werden. Damit sind erfindungsgemäß die Voraussetzungen für seitenkraftfreie und trocken laufende Arbeitskolben 1 geschaffen, deren Arbeitsweise damit auf die Grundfunktionen Abdichtung und axiale Kraftübertragung zurückgeführt wird.

Auch für Kolben aus Werkstoffen wie z. B. Kohlegraphit, bei denen die völlige Abschirmung vom Triebwerksöl eher vorteilhaft als nachteilig ist, sind damit gute Laufeigenschaften und somit die Voraussetzungen für einen schadstoffarmen Motorbetrieb geschaffen worden.

Die Fig. 2 zeigt im Querschnitt durch einen Motorzylinder 10 die Anordnung und Arbeitsweise eines Benzin-Direkteinspritzverfahrens (GDI). Die Einspritzdüse 11 und mehrere Zündkerzen 12, 13 und 14 sind ringförmig um den Motorzylinder 10 angeordnet. Die Einspritzdüse 11 spritzt eine Kraftstoffwolke 15 schräg in Richtung der Zündkerze 12 und dadurch wird eine hohe Ladungsschichtung an dieser Zündkerze 12 erreicht. Ist diese aktiviert, kann für Leerlauf und geringe Teillast eine Verbrennung mit großen Luftzahlen erreicht werden. Wird anstelle der Zündkerze 12 die Kerze 13 oder 14 aktiviert, muss die Kraftstoffwolke 15 längere Wege bis zu ihrer Entzündung zurücklegen, womit bei natürlich verringerter Ladungsschichtung eine verbesserte Gemischaufbereitung eintritt. Dies entspricht einem Verbrennungsablauf bei höherer Teillast und Volllast.

Somit verwischen bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren die Grenzen zwischen strahl- und luftgeführtem Verbrennungsablauf in vorteilhafter Weise. Im Falle des Leerlaufes und geringer Teillast entspricht die Verbrennung eher einem strahlgeführten Verfahren, wobei die geringen Einspritzmengen die Zündkerze 12 nicht übermäßig belasten. Durch den Ladungsdrall sind aber auch Einflüsse einer Luftführung vorhanden, es kann also durch die Drallintensität Einfluss auf die Verbrennung genommen werden.

Mit höheren Motorbelastungen und Motordrehzahlen kommen zunehmend eine Luft- und teilweise auch Wandführung der Kraftstoffwolke 15 zum Tragen. Sie wird vom Ladungsdrall - und teilweise von der Zylinderwandung - bis zu ihrer Entzündung an den Kerzen 13 oder 14 geführt.

Der maximale Weg der Kraftstoffwolke 15 von der Einspritzdüse 11 bis zur Zündkerze 14 beträgt also etwa 3/4 des Zylinderumfanges, während bei herkömmlichen Motoren mit Zylinderkopf dafür nur maximal der Zylinderdurchmesser zur Verfügung steht.

Bei Motoren mit Zylinderkopf ergeben sich bei Einsatz eines GDI-Verfahrens drei weitere Nachteile:

- Der Kolben wird wegen der Umlenkmulde für den Einspritzstrahl kopflastig und bis zu 25% schwerer,
- die Zerklüftung des Kolbenbodens erhöht die Klopfgefahr und bedingt Einschränkungen bei der Ventilüberschneidung und
- die Ladungsschichtung bei Teillast erfordert eine Annäherung des Kolbens an den oberen Totpunkt, d. h. die Einspritzung kann erst sehr spät erfolgen.

Diese Nachteile werden beim GDI-Verfahren im Gegenkolbenmotor vermieden.

Die Fig. 3 zeigt im Längsschnitt durch einen Motorzylinder 10 die Anordnung und Arbeitsweise einer Diesel-Direkteinspritzung (DI). Eine Doppelkopfdüse 16 besitzt beidseitig mehrere Einspritzbohrungen 17, aus welchen Kraftstoffstrahlen 18 in die beidseitig liegenden Kolbenbrennräume 19 eingespritzt werden. Hierbei ist von Vorteil, dass durch die beidseitige Anordnung des Einspritzsystems die doppelte Anzahl von Einspritzbohrungen 17 eingebracht werden kann. Die thermisch hoch belastete Doppelkopfdüse 16 kann mit Hilfe eines Kraftstoffdurchflusses gekühlt werden. Sie kann auch mit keramischen oder anderen wärmedämmenden Stoffen beschichtet sein oder selbst aus solchen Stoffen bestehen.

Die Fig. 4 zeigt die direkte Anbindung oder Einbeziehung eines Wechselgetriebes an den bzw. in den Motorblock. Die beiden Kurbelwellen 20 (vgl. Fig. 1), die untereinander formschlüssig verbunden sein müssen, sind hier durch die Kegelradsätze 21 und die Verbindungswelle 22 gekoppelt. Eine Kegelradverbindung zwischen den Kurbelwellen 20 ist technisch durchaus sinnvoll, da Kegelräder nach neuzeitlichem Standard im Wirkungsgrad den Stirnrädern nicht nachstehen und die Verbindungswelle 22 aufgrund ihrer Elastizität unerwünschte Schwingungen zwischen den Kurbelwellen 20 abbauen kann. Erfindungsgemäß ist nun auf der Verbindungswelle 22 eine Hohlwelle 23 angeordnet, welche den 1. Rädersatz 24 eines Wechselgetriebes trägt. Zwischen der Verbindungswelle 22 und der Hohlwelle 23 ist eine schaltbare Kupplung 25 angeordnet.

Mit einer derartigen Motor-Getriebe-Kombination kann beispielsweise ein platzsparender Fahrzeug- Frontantrieb in sehr flacher Bauart geschaffen werden.

Die Fig. 5 zeigt analog zur Fig. 4 die gleiche Anordnung der Kegelradsätze 21, der Verbindungswelle 22 und der schaltbaren Kupplung 25, wobei hier auf der Hohlwelle 23 eine Arbeitsmaschine 26 wie Elektromotor, Hydraulikpumpe o. a. angeordnet ist. Auch hier ergibt die Einbeziehung der anzutreibenden Organe in den Motortriebstrang zwischen den Kurbelwellen 20 eine raum- und bauaufwandsparende Konstruktion. Hieraus ist auch ein Hybridantrieb ableitbar.

Die Fig. 6 zeigt die Anordnung eines leichten Rädergetriebes 27, welches den erforderlichen Synchronlauf zwischen den Kurbelwellen 20 herstellt. Die Drehmomentübertragung erfolgt durch zwei feste oder regelbare Umschlingungsgetriebe 28, welche das Drehmoment jeder Kurbelwelle 20 auf die zentrale Abtriebswelle 29 übertragen. Anstelle des Rädergetriebes 27 kann auch ein Kettengetriebe den Formschluss zwischen den Kurbelwellen 20 herstellen.

Die hier erfolgte Art der Einbindung der Abtriebselemente in den Motortriebstrang hat den Vorteil, dass nur jeweils ein halbes Motordrehmoment von den Umschlingungsgetrieben 28 übertragen werden muss.

Die Fig. 7 zeigt die Mittel zur Verstellung der Spül- und Auslasssteuerzeiten. Auf dem Motorzylinder 10 sind im Bereich der Spülöffnungen 30 und der Auslassöffnungen 31 die Steuerringe 32 und 33 beweglich angeordnet. Durch Verschieben und/oder Verdrehen derselben werden die Spül- und Auslassöffnungen 30 und 31 - wenn auch nur am äußeren Umfang - teilweise verdeckt, so dass zumindest mittelbar der Eintritt der Spülluft in die Spülöffnungen 30 und der Austritt der Abgase aus den Auslassöffnungen 31 zeitlich verschoben wird.

Claims

1. Schadstoffarmer Gegenkolben-Zweitaktmotor in Kreuzkopfbauart und mit zwei Kurbelwellen, wobei die Kurbelwellen durch einen Triebwerksstrang verbunden sind und die Unterseiten der Arbeitskolben als Spülpumpen mit selbsttätig wirkenden Ventilen arbeiten, dadurch gekennzeichnet, dass durch Dichtelemente (5) die Triebwerksräume von den Zylinderräumen vollständig getrennt sind, die gelenkig an den Pleuelstangen (6) angelenkten Arbeitskolben (1) mit ihren Unterseiten ölfreie Spülpumpen bilden und diese Spülpumpen in einen gemeinsamen, zugleich als Ladeluftkühler dienenden Spülmittelaufnehmer (4) fördern, derart, dass die Arbeitskolben (1) nur zur Gasabdichtung und axialen Druckkkraftübertragung dienen und in den Triebwerksstrang (21; 22) die Mittel zur Kraftübertragung (23; 24; 25; 27; 28; 29) oder die Arbeitsmaschine (26) integriert sind.

2. Schadstoffarmer Gegenkolben-Zweitaktmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Motorbetrieb mit Benzin-Direkteinspritzung (GDI) eine Ladungsschichtung durch eine um den Motorzylinder (10) ringförmige Anordnung einer Einspritzdüse (11) und mehrerer, stufen weise aktivierter Zündkerzen (12; 13; 14) erfolgt, derart, dass bei Teillast der Weg zwischen der Einspritzdüse (11) und der aktivierten Zündkerze (12) kurz ist und bei zunehmend höheren Motorlasten die Kraftstoffwolke (15) längere und stärker vom Drall der Verbrennungsluft beinflusste Wege von der Einspritzdüse (11) zur aktivierten Zündkerze (13; 14) zurücklegt.

3. Schadstoffarmer Gegenkolben-Zweitaktmotor nach An spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Motorbetrieb mit Diesel-Direkteinspritzung (DI) eine Doppelkopfdüse (16) mit beidseitig mehreren Einspritzbohrungen (17) in den Motorzylinder (10) hineinragt und konzentrisch oder leicht exzentrisch zu den beidseitig liegenden Kolbenbrennräumen (19) angeordnet ist.

4. Schadstoffarmer Gegenkolben-Zweitaktmotor nach An spruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelkopfdüse (16) mittels eines Kraftstoffdurchflusses gekühlt und mit keramischen oder anderen wärmedämmenden Stoffen beschichtet ist oder selbst aus solchen Stoffen besteht.

5. Schadstoffarmer Gegenkolben-Zweitaktmotor nach An spruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Triebwerksstrang zwischen den Kurbelwellen (20) einen Teil des Wechselgetriebes bildet, dergestalt, dass eine die Verbindungswelle (22) umschließende Hohlwelle (23) den 1. Rädersatz (24) trägt und eine schaltbare Kupplung (25) zwischen der Verbindungswelle (22) und der Hohlwelle (23) angeordnet ist.

6. Schadstoffarmer Gegenkolben-Zweitaktmotor nach An spruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den Triebwerksstrang zwischen den Kurbelwellen (20) auf der Hohlwelle (23) eine Arbeitsmaschine (26) wie Elektromotor, Hydraulikpumpe o. a. angeordnet ist.

7. Schadstoffarmer Gegenkolben-Zweitaktmotor nach An spruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein leichtes Räder- oder Kettengetriebe (27) den Synchronlauf zwischen den Kurbelwellen (20) herstellt und die Drehmomentübertragung durch zwei feste oder regelbare Umschlingungsgetriebe (28) von den Kurbelwellen (20) auf die zentrale Abtriebswelle (29) erfolgt.

8. Schadstoffarmer Gegenkolben-Zweitaktmotor nach An spruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beweg liche Steuerringe (32; 33) auf dem Motorzylinder (10) in den Bereichen der Spülöffnungen (30) und der Auslassöffnungen (31) angeordnet und durch ihre Verschiebung und/oder Verdrehung die Spül- und Auslasssteuerzeiten verstellbar sind.